一.I/O特點
1.設備接口類型
A.字符設備：鍵盤，鼠標，串口
——訪問特徵：以字節爲單位順序訪問
——I/O命令：get(),put()；通常使用文件訪問接口和語義
B.塊設備：磁盤驅動器，磁帶驅動器，光驅
——訪問特徵：均勻的數據塊訪問；
——I/O命令：原始I/O或文件系統接口；內存映射文件訪問
C.網絡設備：以太網，無線，藍牙
——訪問特徵：格式化報文交換
——I/O命令：send/receive網絡報文；通過網絡接口支持多種網絡協議
2.同步和異步I/O
A.阻塞I/O:
——讀數據時，進程將進入等待狀態，直到完成數據讀出
——寫數據時，進程將進入等待狀態，直到設備完成數據寫入處理
B.非阻塞I/O：
——立即從read或write系統調用返回，返回值爲成功傳輸字節數
——read或write的傳輸字節數可能爲0
C.異步I/O：
——讀數據時，使用指針標記好用戶緩衝區，立即返回；稍後內核將填充緩衝區並通知用戶
——寫數據時，使用指針標記好用戶緩衝區，立即返回；稍後內核將處理數據並通知用戶
——驅動裏會等待，而應用程序不等待。
二.I/O結構
1.硬件結構舉例：
北橋連高速設備，南橋連I/O設備
2.cpu與設備連接
3.I/O指令和內存映射I/O
A.I/O指令
——通過I/O端口號訪問設備寄存器
——特殊的CPU指令
B.內存映射I/O
——把設備的寄存器或存儲映射帶內存物理地址空間中
——通過load/store指令完成I/O操作
——MMU設置映射，硬件跳線或程序在啓動時設置地址
4…內核I/O結構
5…I/O請求生存週期
三.I/O數據傳輸
1.CPU與設備控制器的數據傳輸
A.程序控制I/O（PIO,Programmed I/O）
——通過CPU的in/out或者load/store傳輸所有數據
——特點：硬件簡單，編程容易；消耗的CPU時間和數據量成正比
——適用於簡單的，小型的設備I/O
B.直接內存訪問（DMA）
——設備控制器可直接訪問系統總線
——控制器直接與內存互相傳輸數據
——特點：設備傳輸數據不影響CPU；需要CPU參與設置
——適用於高吞吐量I/O
C.DMA舉例
2.I/O設備通知操作系統的機制
A.操作系統需要了解設備狀態
——I/O操作完成時間
——I/O操作遇到錯誤
B.兩種方式
——CPU主動輪詢
I/O設備在特定的狀態寄存器中放置狀態和錯誤信息，操作系統定期檢查這些狀態寄存器
特點：簡單；I/O操作頻繁或不可預測時，開銷大和延時長
——設備中斷
設備中斷處理流程：CPU在I/O之前設置任務參數；CPU發出I/O請求後，繼續執行其他任務；I/O設備處理請求；I/O設備處理完成時，觸發CPU中斷請求；CPU接收中斷，分發到相應中斷處理例程
特點：處理不可預測事件效果好；開銷相對較高（CPU在每兩條指令執行期間會去檢查是否有中斷請求）
C.一些設備可能結合了輪詢和設備中斷
——如：高帶寬網絡設備（第一個傳入數據包到達前採用中斷；輪詢後面的數據包直到硬件緩存爲空）
D.設備中斷I/O處理流程
四.磁盤調度
1.磁盤工作機制和性能參數
——讀取或寫入時，磁頭必須被定位在期望的磁道，並從所期望的柱面和扇區開始
——尋道時間：定位到期望的磁道所花費的時間
——旋轉延遲：從零扇區開始到達目的地花費的時間
2.磁盤I/O傳輸時間
3.磁盤調度算法
A.通過優化磁盤訪問請求順序來提高磁盤訪問性能
——尋道時間是磁盤訪問最耗時的部分
——同時會有多個在同一磁盤上的I/O請求
——隨機處理磁盤訪問請求的性能表現很差
4.先進先出（FIFO）算法
——按順序處理請求
——公平對待所有進程
——在有很多進程的情況下，接近隨機調度的性能
5.最短服務時間優先（SSTF）
——選擇從磁臂當前位置需要一定最少的I/O請求
——總是選擇最短尋道時間
6.掃描算法（SCAN）
——磁臂在一個方向上移動，訪問所有未完成的直到磁臂到達該方向上最後的磁道
——也稱電梯算法
7.循環掃描算法（C-SCAN）
——限制了僅在一個方向上掃描
——當最後一個磁道也被訪問過了後，磁臂返回到磁盤的另一端再次進行
8.C-LOOK算法
——磁臂先到達該方向上最後一個請求處，然後立即反轉，而不是先到最後點路徑上的所有請求
9.N步掃描（N-step-SCAN）算法
——磁頭粘着（Arm Stickiness）現象
——SSTF,SCAN及CSCAN算法中，可能出現磁頭停留在某處不動的情況（進程反覆請求某一磁道的I/O操作）
——N步掃描掃描算法（將磁盤請求隊列分成長度爲N的子隊列；按FIFO算法依次處理所有子隊列；隊列內部用掃描算法）
10.雙隊列掃描算法（FSCAN）算法
——FSCAN算法是N步掃描算法的簡化
——FSCAN只將磁盤請求隊列分成兩個子隊列
——把磁盤I/O請求分成兩個隊列；交替使用掃描算法處理一個隊列；新生的磁盤I/O請求放入另一隊列中，所有的新請求都將被推遲到下一次掃描時處理
五.磁盤緩存
放在內存裏的磁盤的數據緩存，爲了避免對磁盤裏同一塊數據的多次引用時的反覆讀取
1.緩存
A.數據傳輸雙方訪問速度差異較大時，引入的速度匹配中間層。
B.磁盤緩存是磁盤扇區在內存中的緩存區
——磁盤緩存的調度算法很類似虛擬存儲調度算法
——磁盤的訪問頻率遠低於虛擬存儲中的內存訪問頻率
——通常磁盤緩存調度算法很複雜
2.單緩存與雙緩存
單緩存中，往緩存中寫時，CPU就不能從緩存中讀，效率較低；雙緩存中，因爲是不同的緩存區，I/O設備的寫和CPU的讀可以同時進行。
3.訪問頻率置換算法（Frequency-based Replacement）
A.問題是：在一段密集磁盤訪問後，LFU算法的引用計數變化無法反映當前的引用情況
B.算法思路
——考慮磁盤訪問的密集特徵，對密集引用不計數
——在短週期中使用LRU算法，而在長週期中不使用LFU算法
C.思路圖解
